Bilan — F1 · Les forces de l'électron

Que se passe-t-il quand on frotte deux objets ?

Quand tu frottes deux objets l'un contre l'autre, tu arraches des électrons à l'un et tu les donnes à l'autre. Les deux objets sont alors électrisés.

Il n'existe que deux types de charges, notées + et −. Deux charges de même signe se repoussent ; deux charges de signes opposés s'attirent. La charge électrique se mesure en coulombs (symbole C).

Deux charges de même signe se repoussent, deux charges de signes opposés s'attirent ; les deux forces ont toujours la même intensité

Exemple : deux scotchs arrachés de la table de la même façon portent des charges de même signe, donc ils se repoussent. Le ballon frotté et la mèche de cheveux s'attirent, car leurs charges sont de signes opposés. Le mur, le filet d'eau et les confettis sont neutres, mais un objet chargé les attire quand même. Leurs charges se réarrangent, et le côté proche prend le signe opposé. Comme la force diminue en 1/d², l'attraction du côté proche est la plus forte.

Quelle est l'expression de la force électrique ?

Deux charges s'attirent ou se repoussent. La loi de Coulomb donne l'intensité de cette force. Cette loi a la même forme que la loi de gravitation vue en seconde :

$$F = k \times \dfrac{|q_1 \times q_2|}{d^2}$$

• F : intensité de la force (en N) ;
• q₁ et q₂ : charges (en C) ;
• d : distance entre les charges (en m) ;
• k = 9,0 × 10⁹ N.m².C⁻².

$$F = G \times \dfrac{m_1 \times m_2}{d^2}$$

• pour comparaison : la gravitation de Newton, avec G = 6,67 × 10⁻¹¹ N.m².kg⁻².

Sur qui s'exerce cette force, et comment décroît-elle ?

La force s'exerce sur chacune des deux charges, avec la même intensité. On parle d'actions réciproques. Les deux forces suivent la droite qui relie les charges.

La force diminue en 1/d² quand la distance augmente. Si tu doubles la distance, la force est divisée par 4. Il y a une grande différence avec la gravitation. La gravitation attire toujours, alors que la force électrique peut aussi repousser.

Exemple : dans un atome d'hydrogène, l'électron et le proton s'attirent de deux façons. La force électrique de Coulomb vaut 8,2 × 10⁻⁸ N. La force de gravitation de Newton vaut 3,6 × 10⁻⁴⁷ N. La force électrique est donc environ 10³⁹ fois plus grande. C'est elle qui fait tenir les atomes et les molécules, et c'est elle qui explique la chimie.

Qu'est-ce qu'un champ électrique ?

Un objet chargé crée un champ électrique E en chaque point de l'espace autour de lui. Ce champ indique la force que subirait une petite charge test positive placée en ce point. E se mesure en N.C⁻¹.

$$E = \dfrac{F}{q}$$

• E : champ électrique (en N.C⁻¹) ;
• F : force subie (en N) ;
• q : charge test (en C).

$$E = k \times \dfrac{|q|}{d^2}$$

• le champ créé par une charge ponctuelle q, à la distance d.

À quoi ressemble la carte du champ ?

Autour d'une charge ponctuelle, la carte du champ est radiale, c'est-à-dire que toutes les flèches suivent les rayons. Les flèches raccourcissent quand on s'éloigne, car le champ diminue en 1/d². Une charge négative placée dans le champ subit une force de sens opposé à celui de E.

Carte du champ créé par une charge positive seule : les flèches partent de la charge en suivant les rayons et raccourcissent avec la distance

Exemple : dans une cabine de peinture électrostatique, le pistolet est porté à haute tension et la pièce à peindre est reliée au sol. Un champ électrique existe entre le pistolet et la pièce, et il entoure la pièce de tous les côtés. Chaque gouttelette de peinture porte une charge négative. Le champ exerce donc sur elle une force dirigée vers la pièce. C'est pourquoi la peinture arrive même à l'arrière de la pièce, là où le jet ne vise pas. La gouttelette subit seulement le champ de l'endroit où elle se trouve.

En quoi le champ de gravitation ressemble-t-il au champ électrique ?

Une masse crée elle aussi un champ autour d'elle. Ce champ s'appelle le champ de gravitation et il s'exprime en N.kg⁻¹. Comme le champ électrique, il diminue en 1/d² et sa carte est radiale. La seule différence est que la gravitation peut seulement attirer.

$$g = G \times \dfrac{m}{d^2}$$

• g : champ de gravitation créé par une masse m, à la distance d (en N.kg⁻¹).

Exemple : la Station spatiale vole à 400 km d'altitude. À cette altitude, g vaut encore 8,7 N.kg⁻¹, soit 89 % de sa valeur au sol. La phrase « Pas de gravité dans l'espace » est donc fausse. Tu verras au chapitre de mécanique pourquoi les astronautes flottent quand même.